FR3091881A1 - Static penetrometer with a remote compressible system and use of such a penetrometer - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un pénétromètre (100) comprenant : Au moins une tige centrale (1) terminée à une première extrémité par une pointe de mesure (11) ; Au moins un tube creux (2) entourant la tige centrale (1), cette dernière étant apte à coulisser à l’intérieur du tube creux (2) ; Une cellule de mesure (3) en contact avec le tube creux (2), destinée à transmettre une force appliquée par des moyens d’appui, de manière à provoquer un enfoncement dans le sol du tube creux (2) et de la tige centrale (1) ; Le pénétromètre (100) est remarquable en ce qu’il comprend un système compressible (6) assurant une liaison élastique entre la cellule de mesure (3) et une seconde extrémité (12) de la tige centrale (1), ledit système compressible (6) comportant au moins une colonne (63) déportée par rapport à l’axe de la tige centrale (1). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1The invention relates to a penetrometer (100) comprising: at least one central rod (1) terminated at a first end by a measuring tip (11); At least one hollow tube (2) surrounding the central rod (1), the latter being able to slide inside the hollow tube (2); A measuring cell (3) in contact with the hollow tube (2), intended to transmit a force applied by support means, so as to cause the hollow tube (2) and the central rod to sink into the ground (1); The penetrometer (100) is remarkable in that it comprises a compressible system (6) providing an elastic connection between the measuring cell (3) and a second end (12) of the central rod (1), said compressible system ( 6) comprising at least one column (63) offset from the axis of the central rod (1). Figure to be published with the abstract: Figure 1
Description
La présente invention concerne le domaine de la géotechnique et de la géologie. Elle concerne en particulier un dispositif de mesure de la résistance à la pénétration d’un sol, appelé communément un pénétromètre, et des procédés de mesure associés.The present invention relates to the field of geotechnics and geology. It relates in particular to a device for measuring the resistance to penetration of a soil, commonly called a penetrometer, and associated measuring methods.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTIONTECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
La compacité des sols est habituellement mesurée, soit en mode statique, soit en mode dynamique, par un dispositif de mesure appelé pénétromètre. Un pénétromètre comporte classiquement des tiges raccordées bout à bout pour former un train de tiges au bout duquel est fixée une pointe de mesure, destinée à s’enfoncer dans le sol sur des profondeurs pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres.The compactness of soils is usually measured, either in static mode or in dynamic mode, by a measuring device called a penetrometer. A penetrometer conventionally comprises rods connected end to end to form a string of rods at the end of which is fixed a measuring tip, intended to sink into the ground to depths that can reach several tens of meters.
En mode statique, le train de tiges est poussé par des vérins, provoquant l’enfoncement progressif de la pointe de mesure ; cette dernière mesure la résistance de pointe et éventuellement le frottement latéral sur un manchon cylindrique situé au-dessus de la pointe. Ces mesures sont enregistrées de manière continue ou discontinue selon un pas régulier. La mesure statique de la résistance à la pénétration du sol est sans conteste la plus précise car elle est réalisée directement sur la pointe de mesure, au fond du sondage.In static mode, the drill string is pushed by cylinders, causing the progressive sinking of the measuring tip; the latter measures the tip resistance and optionally the lateral friction on a cylindrical sleeve located above the tip. These measurements are recorded continuously or discontinuously according to a regular step. The static measurement of the resistance to soil penetration is unquestionably the most precise because it is carried out directly on the measuring tip, at the bottom of the borehole.
Ce mode de mesure statique se heurte néanmoins à quelques difficultés. Lorsque la résistance du sol est importante (sols très compacts), il devient très complexe d’appliquer une poussée suffisante pour générer l’enfoncement de la pointe. Par ailleurs, quand la pointe de mesure et le train de tiges sont enfoncés à plusieurs mètres, le frottement exercé par le sol sur le train de tiges doit également être vaincu par une forte poussée pour poursuivre l’enfoncement. Il en résulte que le poids, la puissance et la qualité de l’ancrage des machines qui actionnent les vérins ne sont parfois pas suffisants pour assurer en toutes circonstances une mesure en mode statique.This method of static measurement nevertheless comes up against some difficulties. When the resistance of the soil is high (very compact soils), it becomes very complex to apply sufficient thrust to generate the tip sinking. Moreover, when the measuring tip and the drill string are driven several meters deep, the friction exerted by the ground on the drill string must also be overcome by a strong push to continue driving. As a result, the weight, power and quality of the anchoring of the machines that operate the jacks are sometimes not sufficient to ensure a measurement in static mode in all circumstances.
Il existe par ailleurs un autre mode de mesure dit mode dynamique basé sur l’enfoncement de la pointe par battage du train de tiges. Le battage est réalisé en faisant chuter une masse ou un marteau sur une enclume enfonçant le train de tiges par à-coups. Connaissant l’énergie libérée par la chute de la masse et connaissant l’enfoncement par à-coup, on calcule la résistance à la pénétration du sol, compte tenu de divers coefficients de perte d’énergie. Ce mode dynamique présente une plus grande capacité de pénétration que le mode statique, en particulier dans les sols de compacité élevée. Une mesure en mode dynamique est néanmoins beaucoup moins précise qu’une mesure en mode statique et ne donne qu’une information partielle de la résistance du sol en fonction de la profondeur, du fait de l’enfoncement par à-coup et en général de la non dissociation de la résistance de pointe par rapport aux frottements latéraux parasites.There is also another measurement mode called dynamic mode based on the sinking of the tip by beating the drill string. Driving is done by dropping a sledgehammer or hammer onto an anvil driving the drill string in jerks. Knowing the energy released by the fall of the mass and knowing the jerk penetration, the resistance to soil penetration is calculated, taking into account various coefficients of energy loss. This dynamic mode has a greater penetration capacity than the static mode, especially in soils of high compactness. A measurement in dynamic mode is nevertheless much less precise than a measurement in static mode and gives only partial information of the resistance of the ground according to the depth, because of the sinking by jerks and in general of the non-dissociation of the peak resistance with respect to parasitic lateral friction.
Le document FR2584186 décrit un dispositif de mesure des caractéristiques des sols par pénétration dynamique comprenant un train de tiges pleines se terminant par une pointe et coulissant à l’intérieur d’un train de tiges creuses, et une tête de battage rigidement solidaire des tiges creuses et élastiquement solidaire des tiges pleines par interposition d’un ressort. La chute d’un mouton sur la tête de battage provoque l’enfoncement des trains de tiges. Pendant le relevage et la nouvelle chute du mouton (durée 0,3 à 5 secondes), le ressort se détend et la pointe continue à s’enfoncer jusqu’à ce que la réaction du sol soit égale à l’effort de compression du ressort. Ce dispositif présente l’inconvénient de ne faire, entre deux enfoncements dynamiques par chute d’un mouton sur la tête de battage, que des mesures ponctuelles et discontinues en mode statique, à des profondeurs aléatoires dépendant de la résistance du sol.The document FR2584186 describes a device for measuring soil characteristics by dynamic penetration comprising a string of solid rods ending in a point and sliding inside a string of hollow rods, and a threshing head rigidly fixed to the hollow rods and elastically secured to the solid rods by the interposition of a spring. The fall of a hammer on the threshing head causes the drill strings to sink. During the lifting and the new fall of the hammer (duration 0.3 to 5 seconds), the spring relaxes and the tip continues to sink until the reaction of the ground is equal to the compression force of the spring . This device has the disadvantage of making, between two dynamic depressions by the fall of a hammer on the threshing head, only occasional and discontinuous measurements in static mode, at random depths depending on the resistance of the soil.
D’autres pénétromètres dits statiques dynamiques, sont capables de travailler en mode mixte dynamique et statique, dès que le mode tout statique n’est plus possible, typiquement en présence de couches de sol présentant une compacité élevée, la résistance à la pénétration devenant trop importante.Other so-called dynamic static penetrometers are capable of working in mixed dynamic and static mode, as soon as the all static mode is no longer possible, typically in the presence of soil layers with high compactness, the penetration resistance becoming too important.
On connaît notamment le document EP2535460, qui décrit un dispositif comprenant une tige de mesure terminée par une pointe de mesure, un tube de protection disposé autour de la tige de mesure, des moyens de descente et de relevage pour effectuer l’enfoncement dans le sol en mode statique, des moyens de frappe pour effectuer l’enfoncement dans le sol en mode dynamique et des moyens de mesure pour déterminer la résistance à la pénétration du sol. La construction particulière de ce dispositif permet d’isoler l’enfoncement dynamique du tube de protection extérieur, de la prise de mesure statique de la résistance en pointe et du frottement latéral à travers la tige de mesure intérieure. Ainsi la tige de mesure ne subit pas les efforts mécaniques exercés par les moyens de frappe et la prise de mesure peut être réalisée en mode statique.The document EP2535460 is known in particular, which describes a device comprising a measuring rod terminated by a measuring tip, a protective tube arranged around the measuring rod, lowering and lifting means for effecting the sinking into the ground in static mode, striking means for effecting the driving into the ground in dynamic mode and measuring means for determining the resistance to penetration of the ground. The particular construction of this device makes it possible to isolate the dynamic depression of the external protection tube, from the static measurement tapping of the resistance at the tip and from the lateral friction through the internal measuring rod. Thus the measuring rod is not subjected to the mechanical forces exerted by the striking means and the measurement can be carried out in static mode.
La structure de ce dispositif reste néanmoins complexe et lourde à mettre en œuvre, tant du point de vue du dispositif lui-même que des équipements connexes nécessaires pour déplacer et utiliser ledit dispositif. De plus, la phase de battage ne permet pas la mesure de la résistance en pointe (celle-ci n’étant pas dissociée des frottements latéraux du manchon), et ce à l’identique du dispositif décrit dans le document FR2584186, de sorte que certaines particularités importantes du terrain peuvent échapper à la connaissance du géologue.The structure of this device nevertheless remains complex and cumbersome to implement, both from the point of view of the device itself and of the related equipment necessary to move and use said device. In addition, the beating phase does not allow the measurement of the resistance at the tip (the latter not being dissociated from the lateral friction of the sleeve), and this identically to the device described in the document FR2584186, so that certain important features of the terrain may escape the knowledge of the geologist.
OBJET DE L’INVENTIONOBJECT OF THE INVENTION
Un objet de la présente invention est de proposer une solution alternative aux solutions de l’état de l’art, en particulier un pénétromètre statique simple de mise en œuvre, robuste et permettant des mesures précises et continues de la compacité d’un sol.An object of the present invention is to propose an alternative solution to the solutions of the state of the art, in particular a static penetrometer simple to implement, robust and allowing precise and continuous measurements of the compactness of a soil.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTIONBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
L’invention concerne un pénétromètre comprenant :
- Au moins une tige centrale terminée à une première extrémité par une pointe de mesure ;
- Au moins un tube creux entourant la tige centrale, cette dernière étant apte à coulisser à l’intérieur du tube creux ;
- Une cellule de mesure en contact avec le tube creux, destinée à transmettre une force appliquée par des moyens d’appui, de manière à provoquer un enfoncement en mode statique dans le sol du tube creux et de la tige centrale ;
- At least one central rod terminated at a first end by a measuring tip;
- At least one hollow tube surrounding the central rod, the latter being able to slide inside the hollow tube;
- A measurement cell in contact with the hollow tube, intended to transmit a force applied by bearing means, so as to cause a depression in static mode in the ground of the hollow tube and of the central rod;
Le pénétromètre est remarquable en ce qu’il comprend un système compressible assurant une liaison élastique entre la cellule de mesure et une seconde extrémité de la tige centrale, ledit système compressible comportant :
- Une première chambre à huile formée dans la cellule de mesure, et un premier piston solidaire d’une seconde extrémité de la tige centrale et apte à coulisser dans la première chambre ;
- Au moins une colonne déportée par rapport à l’axe de la tige centrale, qui comprend une deuxième chambre à huile en communication fluidique avec la première chambre, un deuxième piston apte à coulisser dans la deuxième chambre et un dispositif compressible étalonné en contact avec le deuxième piston ;
- Un capteur de pression relié à la deuxième chambre et/ou un capteur de déplacement apte à mesurer la longueur du dispositif compressible étalonné.
- A first oil chamber formed in the measuring cell, and a first piston integral with a second end of the central rod and able to slide in the first chamber;
- At least one column offset with respect to the axis of the central rod, which comprises a second oil chamber in fluid communication with the first chamber, a second piston able to slide in the second chamber and a calibrated compressible device in contact with the second plunger;
- A pressure sensor connected to the second chamber and/or a displacement sensor capable of measuring the length of the calibrated compressible device.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le capteur de pression est apte à mesurer en continu la pression dans la deuxième chambre, au cours de l’enfoncement ;
- le capteur de déplacement est apte à mesurer en continu la longueur du dispositif compressible étalonné, au cours de l’enfoncement ;
- la communication fluidique entre la première chambre et la deuxième chambre est faite au moyen d’un tuyau flexible ;
- la communication fluidique entre la première chambre et la deuxième chambre est faite au moyen d’un conduit rigide ;
- la cellule de mesure comporte une partie interne, une partie externe et un espace annulaire étanche entre la partie interne et la partie externe ;
- la première chambre est formée dans la partie interne et est apte à communiquer avec l’espace annulaire via un premier orifice ;
- le conduit rigide est fixé à la partie externe qui comprend un deuxième orifice pour communiquer avec l’espace annulaire ;
- la colonne déportée comprend une vis de réglage configurée pour faire varier le volume de la deuxième chambre en se déplaçant dans la colonne déportée ;
- la vis de réglage est actionnée par un moteur asservi et piloté par un contrôleur électronique ;
- le pénétromètre comprend des moyens supplémentaires d’enfoncement aptes à appliquer au tube creux, une vibration à une fréquence déterminée ;
- les moyens supplémentaires d’enfoncement sont couplés à la cellule de mesure ;
- les moyens supplémentaires d’enfoncement sont composés par au moins un dispositif hydraulique ou électrique de vibro-fonçage ;
- le pénétromètre comprend un contrôleur électronique configuré pour enregistrer les mesures issues du ou des capteurs et pour activer ou désactiver les moyens supplémentaires d’enfoncement ;
- le dispositif compressible est formé par un ressort étalonné ou par une pluralité de rondelles Belleville ;
- le pénétromètre comprend les moyens d’appui aptes à appliquer une force à la cellule de mesure, pour effectuer un enfoncement dans le sol en mode statique du tube creux et de la tige centrale ;
- le pénétromètre comprend un châssis muni d’au moins un élément de liaison mécanique destiné à être connecté à un massif de réaction ;
- la course de la pointe de mesure par rapport à une extrémité du tube creux est définie par la variation du volume de la deuxième chambre et adaptée au massif de réaction.
- the pressure sensor is capable of continuously measuring the pressure in the second chamber, during depression;
- the displacement sensor is capable of continuously measuring the length of the calibrated compressible device, during depression;
- the fluid communication between the first chamber and the second chamber is made by means of a flexible pipe;
- the fluid communication between the first chamber and the second chamber is made by means of a rigid pipe;
- the measurement cell comprises an internal part, an external part and a sealed annular space between the internal part and the external part;
- the first chamber is formed in the internal part and is capable of communicating with the annular space via a first orifice;
- the rigid conduit is fixed to the external part which comprises a second orifice to communicate with the annular space;
- the offset column comprises an adjustment screw configured to vary the volume of the second chamber by moving in the offset column;
- the adjustment screw is actuated by a motor controlled and controlled by an electronic controller;
- the penetrometer comprises additional driving means capable of applying to the hollow tube, a vibration at a determined frequency;
- the additional driving means are coupled to the measuring cell;
- the additional driving means are made up of at least one hydraulic or electric vibro-driving device;
- the penetrometer comprises an electronic controller configured to record the measurements from the sensor(s) and to activate or deactivate the additional driving means;
- the compressible device is formed by a calibrated spring or by a plurality of Belleville washers;
- the penetrometer comprises support means capable of applying a force to the measuring cell, to effect a driving into the ground in static mode of the hollow tube and of the central rod;
- the penetrometer comprises a frame provided with at least one mechanical connection element intended to be connected to a reaction mass;
- the stroke of the measuring tip relative to one end of the hollow tube is defined by the variation in the volume of the second chamber and adapted to the reaction mass.
L’invention concerne également différentes utilisations du pénétromètre tel que ci-dessus :
- une utilisation pour la mesure de la résistance à la pénétration d’un sol,
- une utilisation pour l’évaluation du caractère liquéfiable d’un sol,
- une utilisation pour la mesure des propriétés élasto-plastiques d’un sol.
- use for measuring the penetration resistance of a soil,
- use for evaluating the liquefiable nature of a soil,
- use for measuring the elastoplastic properties of a soil.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description of the invention which will follow with reference to the appended figures in which:
Dans la partie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas nécessairement à l’échelle.In the descriptive part, the same references in the figures may be used for elements of the same type. The figures are schematic representations which, for the purpose of readability, are not necessarily to scale.
La présente invention concerne un pénétromètre 100 pouvant être notamment utilisé pour la mesure en mode statique de la résistance à la pénétration d’un sol.The present invention relates to a penetrometer 100 which can be used in particular for the measurement in static mode of the resistance to penetration of a soil.
Le pénétromètre 100 comprend au moins une tige centrale 1 terminée à une première extrémité par une pointe de mesure 11. A titre d’exemple, une pointe de mesure bien connue de type « Gouda » pourra être montée au niveau de la première extrémité de ladite tige centrale 1.The penetrometer 100 comprises at least one central rod 1 terminated at a first end by a measuring tip 11. By way of example, a well-known measuring tip of the “Gouda” type could be mounted at the level of the first end of said center rod 1.
Le pénétromètre 100 comprend au moins un tube creux 2 entourant la tige centrale 1. Les diamètres respectifs du tube creux 2 et de la tige centrale 1 sont adaptés de sorte que cette dernière puisse coulisser librement à l’intérieur du tube creux 2.The penetrometer 100 comprises at least one hollow tube 2 surrounding the central rod 1. The respective diameters of the hollow tube 2 and of the central rod 1 are adapted so that the latter can slide freely inside the hollow tube 2.
Le couple formé par la tige centrale 1 et le tube creux 2 est destiné à s’enfoncer dans le sol, la pointe 11 en bout ayant pour fonction de mesurer la résistance à la pénétration du sol. Pour tester la résistance du sol à des profondeurs diverses, des tiges 1 et tubes 2 additionnels peuvent être raccordés bout à bout, pour former un train de couples tige/tube, pouvant être enfoncé dans le sol sur des profondeurs de plusieurs dizaines de mètres.The couple formed by the central rod 1 and the hollow tube 2 is intended to sink into the ground, the point 11 at the end having the function of measuring the resistance to penetration of the ground. To test the resistance of the ground at various depths, additional rods 1 and tubes 2 can be connected end to end, to form a train of rod/tube pairs, which can be driven into the ground to depths of several tens of meters.
Le pénétromètre 100 comprend également une cellule de mesure 3 en contact avec le tube creux 2. La cellule de mesure 3 est destinée à transmettre une force F appliquée par des moyens d’appui, de manière à provoquer un enfoncement en mode statique dans le sol du couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1. Les moyens d’appui (non représentés) susceptibles d’appliquer ladite force F seront décrits plus loin.The penetrometer 100 also comprises a measuring cell 3 in contact with the hollow tube 2. The measuring cell 3 is intended to transmit a force F applied by support means, so as to cause a depression in static mode in the ground of the couple formed by the hollow tube 2 and the central rod 1. The support means (not shown) capable of applying said force F will be described later.
La cellule de mesure 3 pourra dans certains cas être solidaire du tube creux 2, notamment si on utilise le frottement du tube creux 2 dans le sol comme élément de réaction. Dans les cas où la cellule de mesure 3 est seulement en contact avec le tube creux 2, c’est la poussée par les moyens d’appui qui maintient la continuité mécanique entre cellule 3 et tube 2. Un adaptateur en tête de tube creux 2 peut permettre le passage indifférent d’un mode à l’autre.The measuring cell 3 may in some cases be integral with the hollow tube 2, in particular if the friction of the hollow tube 2 in the ground is used as a reaction element. In cases where the measuring cell 3 is only in contact with the hollow tube 2, it is the thrust by the support means which maintains the mechanical continuity between cell 3 and tube 2. An adapter at the head of the hollow tube 2 can allow indifferent passage from one mode to another.
Le pénétromètre 100 comprend en outre, un système compressible 6 assurant une liaison élastique entre la cellule de mesure 3 et une seconde extrémité 12 de la tige centrale 1 (ou du train de tiges centrales). La seconde extrémité 12 se trouve à l’opposé de la première extrémité qui supporte la pointe de mesure 11.The penetrometer 100 further comprises a compressible system 6 ensuring an elastic connection between the measuring cell 3 and a second end 12 of the central rod 1 (or of the train of central rods). The second end 12 is located opposite the first end which supports the measuring tip 11.
Comme illustré sur les figures 1 et 2, le système compressible 6 comporte une première chambre à huile 61 formée dans la cellule de mesure 3, et un premier piston 62 solidaire de la seconde extrémité 12 de la tige centrale 1 ; le premier piston 62 est apte à coulisser dans la première chambre 61. En particulier, lorsque la pointe de mesure 11 est totalement sortie par rapport au tube creux 2, le premier piston 62 sera en position basse (selon la disposition des figures 1 et 2) dans la première chambre 61 ; lorsque la pointe de mesure 11 est effacée, c’est-à-dire en appui contre le tube creux 2, le premier piston 62 sera dans une position plus haute dans la première chambre 61. Le premier piston 62 est donc apte à coulisser dans la première chambre 61 en fonction de la force de réaction que le sol applique sur la pointe de mesure 11.As illustrated in Figures 1 and 2, the compressible system 6 comprises a first oil chamber 61 formed in the measuring cell 3, and a first piston 62 integral with the second end 12 of the central rod 1; the first piston 62 is able to slide in the first chamber 61. In particular, when the measuring tip 11 is fully extended relative to the hollow tube 2, the first piston 62 will be in the low position (according to the arrangement of FIGS. 1 and 2 ) in the first chamber 61; when the measuring tip 11 is erased, that is to say resting against the hollow tube 2, the first piston 62 will be in a higher position in the first chamber 61. The first piston 62 is therefore able to slide in the first chamber 61 depending on the reaction force that the ground applies to the measuring tip 11.
Le système compressible 6 comporte également une colonne 63 déportée par rapport à l’axe de la tige centrale 1. La colonne déportée 63 comporte une deuxième chambre à huile 64 en communication fluidique avec la première chambre 61 et un deuxième piston 65 apte à coulisser dans la deuxième chambre 64. Le système compressible 6 comporte également un dispositif compressible étalonné 66 en contact avec le deuxième piston 65.The compressible system 6 also comprises a column 63 offset with respect to the axis of the central rod 1. The offset column 63 comprises a second oil chamber 64 in fluid communication with the first chamber 61 and a second piston 65 capable of sliding in the second chamber 64. The compressible system 6 also includes a calibrated compressible device 66 in contact with the second piston 65.
Selon un premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, la communication fluidique entre la première chambre 61 et la deuxième chambre 64 est faite au moyen d’un tuyau flexible 614a, qui autorise le déport à une distance choisie de la colonne 63 par rapport à l’ensemble cellule de mesure 3 / train de tube 2 & tige 1 et à l’axe d’enfoncement.According to a first embodiment illustrated in Figure 1, the fluid communication between the first chamber 61 and the second chamber 64 is made by means of a flexible pipe 614a, which allows the offset at a chosen distance of the column 63 with respect to to the measuring cell 3 / tube train 2 & rod 1 assembly and to the driving axis.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 2, la communication fluidique entre la première chambre 61 et la deuxième chambre 64 est faite au moyen d’un conduit rigide 614b et relativement court, qui permet également un déport de la colonne 63 par rapport à l’ensemble cellule de mesure 3 / train de tube 2 et tige 1, mais plus limité que dans le premier mode de réalisation. Le dispositif compressible 66 pouvant être un élément encombrant de la colonne 63, il est avantageusement déporté par rapport à la colonne 63, dans une deuxième colonne 63’ : la deuxième chambre 64 est alors prolongée par un deuxième conduit 64b, avantageusement flexible et de longueur appropriée, jusqu’au piston 65 disposé dans la deuxième colonne 63’, en contact avec le dispositif compressible 66.According to a second embodiment illustrated in Figure 2, the fluid communication between the first chamber 61 and the second chamber 64 is made by means of a rigid conduit 614b and relatively short, which also allows an offset of the column 63 with respect to to the measuring cell 3 / tube train 2 and rod 1 assembly, but more limited than in the first embodiment. Since the compressible device 66 can be a bulky element of column 63, it is advantageously offset with respect to column 63, in a second column 63': second chamber 64 is then extended by a second conduit 64b, advantageously flexible and of appropriate, up to the piston 65 arranged in the second column 63', in contact with the compressible device 66.
Nous verrons plus tard que le premier ou le deuxième mode de mise en œuvre peut être plus avantageux selon le type d’essai à réaliser.We will see later that the first or the second mode of implementation can be more advantageous depending on the type of test to be carried out.
Le déplacement du premier piston 62 dans la première chambre 61 en fonction de la force de réaction que le sol applique sur la pointe de mesure 11, va être transmis au deuxième piston 65 dans la deuxième chambre 64, du fait de la faible compressibilité de l’huile présente dans et entre les deux chambres. Le deuxième piston 65 va alors appliquer une charge sur le dispositif compressible étalonné 66, susceptible de comprimer ou de laisser s’allonger ledit dispositif 66.The displacement of the first piston 62 in the first chamber 61 according to the reaction force that the ground applies to the measuring tip 11, will be transmitted to the second piston 65 in the second chamber 64, due to the low compressibility of the oil present in and between the two chambers. The second piston 65 will then apply a load on the calibrated compressible device 66, capable of compressing or allowing said device 66 to extend.
Dans le système compressible 6 du pénétromètre 100 selon l’invention, la longueur du dispositif compressible étalonné 66 pourra avantageusement varier de 40 à 100mm entre son état allongé et son état complètement rétracté. Notons que la raideur du dispositif compressible 66 peut être adaptée à la dureté du sol envisagé d’après enquête préalable. En particulier, on pourra choisir la raideur du dispositif compressible 66 de sorte qu’il passe de son état allongé (pour une charge nulle) à son état complètement rétracté pour une charge appliquée comprise entre 100 et 500 bars.In the compressible system 6 of the penetrometer 100 according to the invention, the length of the calibrated compressible device 66 can advantageously vary from 40 to 100 mm between its elongated state and its completely retracted state. Note that the stiffness of the compressible device 66 can be adapted to the hardness of the ground envisaged after preliminary investigation. In particular, it is possible to choose the stiffness of the compressible device 66 so that it passes from its elongated state (for a zero load) to its completely retracted state for an applied load of between 100 and 500 bars.
Selon une première variante, le dispositif compressible 66 est constitué par un ressort étalonné. La longueur du ressort varie linéairement avec la charge qui lui est appliquée.According to a first variant, the compressible device 66 consists of a calibrated spring. The length of the spring varies linearly with the load applied to it.
Selon une deuxième variante, le dispositif compressible étalonné 66 est constitué d’une pluralité de rondelles Belleville, montées en opposition. La déformation d’un tel assemblage est quasiment linéaire, et sa raideur peut être définie comme :
Le dispositif compressible étalonné n’est bien-sûr pas limité aux deux variantes évoquées ci-dessus et pourrait alternativement être formé par un ressort à gaz ou tout élément élastique (élastomère, etc), permettant une rétractation et un allongement de l’ordre de grandeur cité plus haut, pour des charges appliquées telles qu’énoncées précédemment.The calibrated compressible device is of course not limited to the two variants mentioned above and could alternatively be formed by a gas spring or any elastic element (elastomer, etc.), allowing retraction and elongation of the order of magnitude cited above, for loads applied as stated above.
Le système compressible 6 selon l’invention comporte en outre un capteur de pression 67 relié à la deuxième chambre 64 apte à mesurer la pression dans ladite deuxième chambre 64. En tenant compte des rapports de surface entre la pointe 11, et les premier 62 et deuxième 65 pistons, on peut ainsi extraire à partir de la mesure faite par le capteur de pression 67, la pression s’exerçant au niveau de la pointe 11, représentative de la résistance du sol.The compressible system 6 according to the invention further comprises a pressure sensor 67 connected to the second chamber 64 suitable for measuring the pressure in said second chamber 64. Taking into account the surface ratios between the tip 11, and the first 62 and second 65 pistons, it is thus possible to extract from the measurement made by the pressure sensor 67, the pressure exerted at the level of the tip 11, representative of the resistance of the ground.
Alternativement, le système compressible 6 peut comporter un capteur de déplacement 68, à la place ou en plus du capteur de pression 67 précité. Ce capteur de déplacement 68 est apte à mesurer la longueur du dispositif compressible étalonné 66 lors de son allongement ou de sa rétractation, au cours de l’enfoncement du couple tube 2 / tige 1 dans le sol. Cette longueur l est représentative de la résistance du sol, à laquelle elle peut être reliée par une relation de proportionnalité :
Le pénétromètre 100 selon l’invention, muni du système compressible 6, permet donc de mesurer la résistance du sol en continu, au fur et à mesure d’un enfoncement en mode statique du couple tube 2 / tige 1 dans le sol. Avantageusement, le ou les capteur(s) 67,68 comporte(nt) un système d’enregistrement pour collecter les mesures en continu au cours de l’enfoncement. A titre d’exemple, le capteur de pression 67 pourra effectuer une mesure tous les dixièmes secondes ou encore toutes les secondes de la pression dans la deuxième chambre 64.The penetrometer 100 according to the invention, equipped with the compressible system 6, therefore makes it possible to measure the resistance of the ground continuously, as the tube 2 / rod 1 couple is driven into the ground in static mode. Advantageously, the sensor(s) 67,68 comprise(s) a recording system to collect the measurements continuously during the depression. By way of example, the pressure sensor 67 can take a measurement every tenths of a second or even every second of the pressure in the second chamber 64.
La configuration de système compressible 6 avec colonne déportée 63 permet d’alléger et de simplifier l’ensemble composé de la cellule de mesure 3 et du train de tube 2 / tige 1, qui doit être maintenu selon l’axe d’enfoncement (parallèle à l’axe du train de tiges). En effet, l’alternative à cette configuration, qui consisterait à positionner le dispositif compressible étalonné 66 directement entre la cellule de mesure 3 et la tige centrale 1, oblige à maintenir ledit dispositif 66 dans l’axe d’enfoncement et augmente l’encombrement du pénétromètre.The compressible system configuration 6 with offset column 63 makes it possible to lighten and simplify the assembly made up of the measuring cell 3 and the tube train 2 / rod 1, which must be maintained along the driving axis (parallel to the axis of the drill string). Indeed, the alternative to this configuration, which would consist in positioning the calibrated compressible device 66 directly between the measuring cell 3 and the central rod 1, requires said device 66 to be maintained in the driving axis and increases the size of the penetrometer.
De manière avantageuse, la colonne déportée 63 comprend une vis de réglage 69 configurée pour faire varier le volume de la deuxième chambre 64 en se déplaçant dans la colonne déportée 63. Préférentiellement, la vis de réglage 69 est actionnée par un moteur 70 asservi et piloté par un contrôleur électronique. Le déplacement et la vitesse de déplacement de la vis de réglage 69 peuvent ainsi être commandés. Notons que par vis de réglage on entend tout moyen actionné manuellement ou automatiquement, apte à effectuer un mouvement de translation dans la colonne 63 de manière à modifier le volume de la deuxième chambre 64. Par exemple, un piston de vérin pourrait également correspondre à ladite vis de réglage 69.Advantageously, the offset column 63 comprises an adjustment screw 69 configured to vary the volume of the second chamber 64 by moving in the offset column 63. Preferably, the adjustment screw 69 is actuated by a motor 70 controlled and controlled by an electronic controller. The movement and the speed of movement of the adjustment screw 69 can thus be controlled. It should be noted that by adjusting screw is meant any means actuated manually or automatically, capable of performing a translational movement in the column 63 so as to modify the volume of the second chamber 64. For example, a cylinder piston could also correspond to said adjusting screw 69.
En faisant varier le volume de la deuxième chambre 64, la vis 69 va plus ou moins comprimer le dispositif compressible étalonné 66 et plus ou moins appliquer de pression sur la tige centrale 1 (via le premier piston 62) du fait de la communication entre les chambres 64,61. La vis de réglage 69 permet ainsi d’adapter la course de la pointe 11, entre une position sortie et sa position effacée, en fonction du massif de réaction utilisé. Le massif de réaction est décrit ci-dessous en liaison avec les moyens d’appui 4 pour l’enfoncement en mode statique du couple tube 2 / tige 1.By varying the volume of the second chamber 64, the screw 69 will more or less compress the calibrated compressible device 66 and more or less apply pressure on the central rod 1 (via the first piston 62) due to the communication between the rooms 64.61. The adjustment screw 69 thus makes it possible to adapt the stroke of the tip 11, between an extended position and its retracted position, according to the reaction mass used. The reaction block is described below in conjunction with the bearing means 4 for driving in static mode the tube 2 / rod 1 couple.
Préférentiellement, le pénétromètre 100 statique selon l’invention comprend également des moyens d’appui 4, adaptés pour appliquer une force F à la cellule de mesure 3, et permettant d’effectuer un enfoncement dans le sol en mode statique du couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1. La force F est appliquée à une partie extérieure 3b de la cellule 3.Preferably, the static penetrometer 100 according to the invention also comprises support means 4, suitable for applying a force F to the measuring cell 3, and making it possible to carry out a sinking into the ground in static mode of the torque formed by the hollow tube 2 and the central rod 1. The force F is applied to an outer part 3b of the cell 3.
Les moyens d’appui pourront en particulier comprendre au moins un vérin hydraulique apte à développer une puissance comprise entre 5 et 15 Tonnes. Une partie 41 du vérin est fixée à la partie extérieure 3b de la cellule 3 et applique à celle-ci la force nécessaire à l’enfoncement continu du couple tube 2/tige 1. Une autre partie 42 du vérin doit être fixé directement ou indirectement à un massif de réaction 200.The support means may in particular comprise at least one hydraulic cylinder capable of developing a power of between 5 and 15 tons. A part 41 of the cylinder is fixed to the outer part 3b of the cell 3 and applies thereto the force necessary for the continuous depression of the pair tube 2 / rod 1. Another part 42 of the cylinder must be fixed directly or indirectly to a massive reaction of 200.
Les moyens d’appui 4 pourront comprendre un groupe hydraulique automoteur, pour actionner le vérin 41,42.The support means 4 may include a self-propelled hydraulic unit, to actuate the cylinder 41,42.
Avantageusement, les moyens d’appui 4 sont maintenus par un châssis 5. Le châssis 5 est muni d’au moins un élément de liaison mécanique destiné à être connecté à un massif de réaction 200. Cet élément de liaison mécanique pourra par exemple consister en une pince hydraulique ou mécanique, ou encore un étau de même type. Le fait que le châssis 5 soit équipé d’un tel élément de liaison mécanique le rend connectable à tout genre de massif de réaction 200 : grue, pelle mécanique, poids lourd, etc.Advantageously, the support means 4 are held by a frame 5. The frame 5 is provided with at least one mechanical connection element intended to be connected to a reaction mass 200. This mechanical connection element may for example consist of a hydraulic or mechanical clamp, or even a vice of the same type. The fact that the chassis 5 is equipped with such a mechanical connection element makes it connectable to any kind of reaction mass 200: crane, mechanical shovel, heavy goods vehicle, etc.
Préférentiellement, le pénétromètre 100 comprend des moyens supplémentaires d’enfoncement 8 aptes à appliquer au tube creux 2, une vibration à une fréquence déterminée. Nous verrons plus loin que cette vibration, appliquée temporairement au cours de l’enfoncement quand un sol à forte résistance est rencontré, aide à poursuivre l’enfoncement en mode statique, sans nécessiter de massif de réaction 200 surdimensionné ou l’utilisation d’une assistance dynamique qui empêche toute mesure précise de la résistance du sol.Preferably, the penetrometer 100 comprises additional driving means 8 able to apply to the hollow tube 2, a vibration at a determined frequency. We will see later that this vibration, applied temporarily during the sinking when a high resistance ground is encountered, helps to continue the sinking in static mode, without requiring an oversized reaction block 200 or the use of a dynamic assistance that prevents accurate measurement of ground resistance.
De manière avantageuse, ces moyens supplémentaires 8 sont couplés à une partie interne 3a de la cellule 3 qui est solidaire du tube creux 2. La vibration appliquée à la partie interne 3a est ainsi transmise au tube creux 2.Advantageously, these additional means 8 are coupled to an internal part 3a of the cell 3 which is integral with the hollow tube 2. The vibration applied to the internal part 3a is thus transmitted to the hollow tube 2.
La première chambre 61 est formée dans cette partie interne 3a. Il est prévu que la partie interne 3a puisse être mobile selon l’axe d’enfoncement dans la partie externe 3b de la cellule de mesure 3. Lorsque la vibration est appliquée à la partie interne 3a, cette dernière est ainsi libre d’osciller en limitant la transmission de la vibration à la partie externe 3b solidaire des moyens d’appui 4.The first chamber 61 is formed in this internal part 3a. Provision is made for the internal part 3a to be able to move along the axis of insertion into the external part 3b of the measuring cell 3. When the vibration is applied to the internal part 3a, the latter is thus free to oscillate in limiting the transmission of the vibration to the outer part 3b secured to the support means 4.
Dans le premier mode de réalisation illustré en figure 1, le tuyau flexible 614a est directement connecté à la première chambre 61 via un premier orifice prévu dans la partie interne 3a. Un deuxième orifice aménagé dans la partie externe 3b de la cellule 3 permet au tuyau flexible 614a de relier la deuxième chambre 64 et laissera la latitude suffisante pour accommoder l’oscillation de la partie interne 3a lorsqu’une vibration lui est appliquée.In the first embodiment illustrated in FIG. 1, the flexible pipe 614a is directly connected to the first chamber 61 via a first orifice provided in the internal part 3a. A second orifice arranged in the external part 3b of the cell 3 allows the flexible pipe 614a to connect the second chamber 64 and will leave sufficient latitude to accommodate the oscillation of the internal part 3a when a vibration is applied to it.
Dans le deuxième mode de réalisation illustré en figure 2, des joints 3c sont disposés entre la partie interne 3a et la partie externe 3b de la cellule 3 et définissent un espace annulaire 3d étanche entre les deux parties 3a,3b. Un premier orifice dans la partie interne 3a établit une communication fluidique entre la première chambre 61 et l’espace annulaire 3d ; un deuxième orifice dans la partie externe 3b établit une communication fluidique entre l’espace annulaire 3d et le conduit 614b, qui connecté audit deuxième orifice, assure la communication avec la deuxième chambre 64. Cette configuration de connexion fluidique évite que le conduit rigide 614b subisse les vibrations appliquées à la partie interne 3a par les moyens supplémentaires 8, susceptibles de le dégrader. Une telle configuration pourrait également être mise en œuvre dans le mode de réalisation illustré en figure 1, dans lequel le système compressible 6 comprend un conduit flexible 614a, mais présente moins d’intérêt, le conduit souple 614a étant capable d’encaisser les vibrations.In the second embodiment illustrated in FIG. 2, seals 3c are arranged between the internal part 3a and the external part 3b of the cell 3 and define a sealed annular space 3d between the two parts 3a, 3b. A first orifice in the internal part 3a establishes fluid communication between the first chamber 61 and the annular space 3d; a second orifice in the outer part 3b establishes fluid communication between the annular space 3d and the duct 614b, which connected to said second orifice, provides communication with the second chamber 64. This fluid connection configuration prevents the rigid duct 614b from undergoing the vibrations applied to the internal part 3a by the additional means 8, likely to degrade it. Such a configuration could also be implemented in the embodiment illustrated in FIG. 1, in which the compressible system 6 comprises a flexible conduit 614a, but is of less interest, the flexible conduit 614a being capable of withstanding vibrations.
Le pénétromètre selon l’invention peut donc recourir à une assistance vibro-dynamique, tout en conservant un enfoncement en mode statique et une mesure via le système compressible 6 continue et précise, représentative de la dureté du sol.The penetrometer according to the invention can therefore resort to vibro-dynamic assistance, while maintaining a depression in static mode and a measurement via the compressible system 6 which is continuous and precise, representative of the hardness of the ground.
A titre d’exemple, les moyens supplémentaires 8 d’enfoncement sont composés par au moins un dispositif hydraulique, pneumatique ou électrique (ou autre source d’énergie) de vibro-fonçage, procurant une énergie mécanique par impulsion, à une fréquence déterminée. Préférentiellement, la fréquence déterminée de la vibration est comprise entre 35 et 100 Hz. Et l’énergie unitaire, c’est-à-dire à chaque impulsion ou coup, développée par les moyens supplémentaires d’enfoncement est comprise entre 25 et 400 Joules.By way of example, the additional driving means 8 are composed of at least one hydraulic, pneumatic or electric device (or other source of energy) for vibro-sinking, providing mechanical energy by pulse, at a determined frequency. Preferably, the determined frequency of the vibration is between 35 and 100 Hz. And the unit energy, that is to say at each impulse or blow, developed by the additional driving means is between 25 and 400 Joules .
Il est à noter que la configuration de système compressible 6 avec colonne déportée 63 permet de fiabiliser ledit système compressible 6, dont les parties mécaniques (notamment le dispositif compressible étalonné 66) ne sont pas directement soumises à la vibration susceptible d’être appliquée pour l’enfoncement du train de tubes 2 / tige 1, puisqu’elles sont disposées dans la colonne déportée 63 (ou la deuxième colonne déportée 63’).It should be noted that the configuration of compressible system 6 with offset column 63 makes said compressible system 6 more reliable, the mechanical parts of which (in particular the calibrated compressible device 66) are not directly subjected to the vibration likely to be applied for the sinking of the train of tubes 2/rod 1, since they are arranged in the offset column 63 (or the second offset column 63').
Le pénétromètre 100 peut en outre comprendre un contrôleur électronique apte à analyser les mesures issues du ou des capteurs 67,68, à actionner la vis de réglage 69 (par exemple, via le moteur 70), et à activer ou désactiver les moyens supplémentaires d’enfoncement 8, selon des critères programmés ou définis par un opérateur au cours de l’essai.The penetrometer 100 may further comprise an electronic controller capable of analyzing the measurements from the sensor(s) 67, 68, of actuating the adjustment screw 69 (for example, via the motor 70), and of activating or deactivating the additional means of depression 8, according to criteria programmed or defined by an operator during the test.
Mesure de la résistance d’un sol en mode statiqueMeasurement of soil resistance in static mode
Le pénétromètre 100 selon la présente invention peut être utilisé pour la mesure de la résistance à la pénétration d’un sol, en particulier selon le procédé de mesure en mode statique décrit ci-après.The penetrometer 100 according to the present invention can be used for measuring the resistance to penetration of a soil, in particular according to the measurement method in static mode described below.
Pour réaliser un essai, le châssis 5 du pénétromètre 100 est connecté à un massif de réaction 200. La force d’appui maximale qui pourra être appliquée à la cellule de mesure 3 pour l’enfoncement du couple tube 2 / tige 1 est définie par la masse dudit massif de réaction 200. Si, au cours de l’essai, la pointe 11 rencontre un sol dont la résistance excède la force d’appui maximale, le pénétromètre 100 est apte à recourir à une assistance vibro-dynamique grâce aux moyens supplémentaires d’enfoncement 8. Pour éviter d’endommager la tige 1, il est important que la pointe 11 soit en position effacée (c’est-à-dire en appui contre le tube creux 2) lorsque l’assistance vibro-dynamique est mise en œuvre.To carry out a test, the frame 5 of the penetrometer 100 is connected to a reaction block 200. The maximum bearing force that can be applied to the measuring cell 3 for the penetration of the tube 2 / rod 1 couple is defined by the mass of said reaction mass 200. If, during the test, the tip 11 encounters a ground whose resistance exceeds the maximum bearing force, the penetrometer 100 is able to resort to vibro-dynamic assistance thanks to the means additional depression 8. To avoid damaging the rod 1, it is important that the tip 11 is in the retracted position (that is to say resting against the hollow tube 2) when the vibro-dynamic assistance is Implementation.
La vis de réglage 69 du système compressible 6 permet d’adapter la course de la pointe 11 au massif de réaction 200, de sorte que ladite pointe 11 se trouve en position effacée lorsque la résistance du sol atteint la force d’appui maximale.The adjustment screw 69 of the compressible system 6 makes it possible to adapt the stroke of the point 11 to the reaction mass 200, so that said point 11 is in the retracted position when the resistance of the ground reaches the maximum bearing force.
A la suite de ce réglage, le procédé de mesure comprend en premier lieu l’enfoncement dans le sol en mode statique (enfoncement continu et régulier) du couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1, à une vitesse d’enfoncement donnée. La vitesse d’enfoncement en mode statique est comprise entre 1 et 5 cm/s ; avantageusement, pour respecter des normes de mesures en vigueur, la vitesse d’enfoncement est de l’ordre de 2cm/s.Following this adjustment, the measurement method firstly comprises driving into the ground in static mode (continuous and regular driving) of the couple formed by the hollow tube 2 and the central rod 1, at a driving speed given. The driving speed in static mode is between 1 and 5 cm/s; advantageously, to comply with the measurement standards in force, the driving speed is of the order of 2cm/s.
Au cours de cet enfoncement, le procédé prévoit la mesure, par le capteur de pression 67, de la pression dans la deuxième chambre 64 du système compressible 6. Cette mesure de pression permet de remonter à la résistance en pointe du sol (Qc), pour des profondeurs successives d’enfoncement dans le sol.During this depression, the method provides for the measurement, by the pressure sensor 67, of the pressure in the second chamber 64 of the compressible system 6. This pressure measurement makes it possible to go back to the peak resistance of the ground (Qc), for successive depths of penetration into the ground.
Lorsque la pointe de mesure 11 rencontre un sol très résistant, pour lequel la force d’appui maximale est atteinte, la pointe 11 se retrouve dans sa position effacée (c’est-à-dire en appui contre le tube creux 2). Le procédé prévoit alors l’application par les moyens supplémentaires d’enfoncement 8, d’un vibro-fonçage à une fréquence déterminée. Comme évoqué précédemment, la fréquence déterminée est préférentiellement comprise entre 35 et 100 Hz, et l’énergie unitaire (par impulsion) est comprise entre 25 et 400 Joules. La vibration appliquée, transmise au tube creux 2, soit directement, soit par l’intermédiaire de la partie interne 3a de la cellule de mesure 3, permet d’aider au franchissement des couches de sol particulièrement dures.When the measuring tip 11 encounters a very resistant ground, for which the maximum support force is reached, the tip 11 finds itself in its retracted position (that is to say resting against the hollow tube 2). The method then provides for the application, by the additional driving means 8, of vibro-driving at a determined frequency. As mentioned above, the determined frequency is preferably between 35 and 100 Hz, and the unit energy (per pulse) is between 25 and 400 Joules. The applied vibration, transmitted to the hollow tube 2, either directly or via the internal part 3a of the measuring cell 3, makes it possible to help the crossing of particularly hard ground layers.
L’application d’une vibration grâce aux moyens supplémentaires d’enfoncement permet de traverser cette couche, jusqu’à atteindre une couche de dureté moindre. A ce moment-là, le dispositif compressible 66 va s’allonger, la pointe de mesure 11 en bout de la tige 1 rencontrant une plus faible résistance. Les moyens supplémentaires d’enfoncement 8 sont alors désactivés et l’enfoncement en mode statique reprend.The application of a vibration thanks to the additional driving means makes it possible to cross this layer, until reaching a layer of lesser hardness. At this time, the compressible device 66 will lengthen, the measuring tip 11 at the end of the rod 1 encountering a lower resistance. The additional depression means 8 are then deactivated and the depression in static mode resumes.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de mesurer la résistance du sol en continu et sans interruption car le franchissement des couches dures en profondeur se fait progressivement, par vibro-fonçage. Dès que la dureté du sol diminue, la mesure par le ou les capteur(s) 67,68 du système compressible 6 permet d’obtenir une valeur de résistance du sol. On ne perd ainsi aucune information sur les caractéristiques du sol, qui sont mesurées en continu via les variations de pression dans la deuxième chambre 64 du système compressible 6 et/ou via les variations de longueur du dispositif compressible étalonné 66.The method according to the invention thus makes it possible to measure the resistance of the ground continuously and without interruption because the crossing of the hard layers in depth is done gradually, by vibro-sinking. As soon as the hardness of the ground decreases, the measurement by the sensor(s) 67,68 of the compressible system 6 makes it possible to obtain a resistance value of the ground. No information is thus lost on the characteristics of the ground, which are measured continuously via the pressure variations in the second chamber 64 of the compressible system 6 and/or via the variations in length of the calibrated compressible device 66.
Avantageusement, un contrôleur électronique est configuré pour enregistrer les mesures issues du ou des capteurs (de pression 67 et/ou de déplacement 68) et pour activer ou désactiver les moyens supplémentaires d’enfoncement 8. Il peut également être configuré pour commander les moyens d’appui 4 et asservir la force F appliquée à la cellule de mesure 3, à la vitesse d’enfoncement du couple tube 2 / tige 1 dans le sol.Advantageously, an electronic controller is configured to record the measurements from the sensor(s) (pressure 67 and/or displacement 68) and to activate or deactivate the additional driving means 8. It can also be configured to control the means of support 4 and enslave the force F applied to the measuring cell 3, at the speed at which the tube 2 / rod 1 pair is driven into the ground.
Notons que le premier et le deuxième mode de mise en œuvre du pénétromètre 100 (figures 1 et 2) sont adaptés à la réalisation du présent procédé de mesure de la résistance d’un sol en mode statique.It should be noted that the first and the second mode of implementation of the penetrometer 100 (FIGS. 1 and 2) are suitable for carrying out the present method for measuring the resistance of a soil in static mode.
Évaluation du caractère liquéfiable d’un solEvaluation of the liquefiability of a soil
Le pénétromètre 100 selon la présente invention peut également être utilisé pour l’évaluation du caractère liquéfiable d’un sol, en particulier en appliquant le procédé décrit ci-après.The penetrometer 100 according to the present invention can also be used for evaluating the liquefiable nature of a soil, in particular by applying the method described below.
Le procédé comprend une première étape a) consistant à enfoncer dans le sol le couple tube 2 / tige 1 pour amener la pointe de mesure 11 à une profondeur donnée pour l’investigation du caractère liquéfiable. Les moyens d’appui 4, par l’intermédiaire de la cellule 3, permettent de réaliser cet enfoncement à la profondeur donnée.The method comprises a first step a) consisting in driving the tube 2 / rod 1 pair into the ground to bring the measuring tip 11 to a given depth for the investigation of the liquefiable nature. The support means 4, via the cell 3, make it possible to carry out this depression at the given depth.
Après que la pointe de mesure 11 a atteint la profondeur donnée, il est important qu’elle ne soit pas dans sa position complètement sortie : la course de la pointe 11 pourra à ce moment-là être adaptée via la vis de réglage 69 du système compressible 6 (en faisant varier le volume de la deuxième chambre 64).After the measuring tip 11 has reached the given depth, it is important that it is not in its fully extended position: the stroke of the tip 11 can then be adapted via the adjustment screw 69 of the system compressible 6 (by varying the volume of the second chamber 64).
A partir de là, le dispositif compressible étalonné 66 est bridé, de manière à demeurer à longueur constante pour les étapes suivantes du procédé.From there, the calibrated compressible device 66 is clamped, so as to remain at constant length for the following stages of the method.
Une deuxième étape b) du procédé consiste à induire, à partir de la profondeur donnée, un premier enfoncement contrôlé de la pointe de mesure 11 dans le sol. Le dispositif compressible étalonné 66 étant bridé, l’actionnement de la vis de réglage 69 par le moteur 70 asservi et piloté permet de réduire le volume de la deuxième chambre 64 et ainsi d’augmenter la pression contre le premier piston 62 pour induire un premier déplacement de la tige 1 (correspondant au premier enfoncement contrôlé de la pointe 11). Par exemple, le premier enfoncement est de 10mm et est réalisé à une vitesse constante de 2cm/s.A second step b) of the method consists in inducing, from the given depth, a first controlled sinking of the measuring tip 11 into the ground. The calibrated compressible device 66 being clamped, the actuation of the adjustment screw 69 by the servo-controlled and controlled motor 70 makes it possible to reduce the volume of the second chamber 64 and thus to increase the pressure against the first piston 62 to induce a first displacement of the rod 1 (corresponding to the first controlled depression of the tip 11). For example, the first depression is 10mm and is carried out at a constant speed of 2cm/s.
La pression appliquée (pression mesurée via le capteur de pression 67) pour effectuer ledit premier enfoncement est représentative de la résistance du sol et donne une résistance de pointe
Les valeurs
Une troisième étape c) du procédé consiste à appliquer une vibration à basse fréquence à la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1 et simultanément à lui faire effectuer un deuxième déplacement induisant un deuxième enfoncement contrôlé de la pointe 11 dans le sol. Une telle vibration basse fréquence est appliquée par l’intermédiaire de la vis de réglage 69, qui en diminuant progressivement le volume de la deuxième chambre 64 par des mouvements d’aller-retour à la fréquence choisie, va appliquer la vibration et générer le deuxième enfoncement.A third step c) of the method consists in applying a low-frequency vibration to the second end 12 of the central rod 1 and simultaneously causing it to perform a second movement inducing a second controlled sinking of the tip 11 into the ground. Such a low frequency vibration is applied via the adjustment screw 69, which by gradually decreasing the volume of the second chamber 64 by back and forth movements at the chosen frequency, will apply the vibration and generate the second depression.
La basse fréquence choisie est comprise entre 1 et 5 Hertz, fréquences caractéristiques des séismes. L’objectif ici est d’appliquer localement des contraintes susceptibles de modifier les propriétés de la couche de sol, comme pourrait le faire un tremblement de terre. Le deuxième enfoncement de la pointe 11 dans la couche de sol s’effectue alors qu’elle est mise sous contrainte vibratoire. Par exemple, le deuxième enfoncement pourra être de 30mm.The chosen low frequency is between 1 and 5 Hertz, frequencies characteristic of earthquakes. The objective here is to locally apply stresses likely to modify the properties of the soil layer, as an earthquake could do. The second insertion of the tip 11 into the soil layer takes place while it is under vibratory stress. For example, the second recess may be 30mm.
La pression appliquée pour effectuer le deuxième enfoncement est représentative de la résistance de pointe
Avantageusement, la vitesse du deuxième enfoncement est ajustée de manière à maintenir la pression appliquée sensiblement constante, grâce à un asservissement du moteur actionnant la vis de réglage 69. Le deuxième enfoncement est donc avantageusement réalisé à charge (force appliquée) constante. En particulier, on vise une force appliquée sensiblement égale à la valeur de force appliquée représentative de la résistance de pointe
Plusieurs cas de figures peuvent se présenter, selon les propriétés de la couche de sol analysée. Les propriétés de résistance de la couche de sol peuvent évoluer très lentement sous la sollicitation vibratoire : le deuxième enfoncement s’effectue alors à une faible vitesse. Dans un tel cas de figure, il apparaît que la couche de sol ne se modifie pas brusquement avec une contrainte vibratoire. Selon un autre cas de figure, la couche de sol peut perdre très rapidement sa résistance sous la sollicitation vibratoire : le deuxième enfoncement s’effectue alors à une vitesse élevée. Les risques en cas de séisme dans l’un et l’autre cas de figures évoqués sont clairement différents : les précautions et spécifications sur les fondations d’ouvrages construits pourront être adaptées à chaque cas.Several scenarios may arise, depending on the properties of the soil layer analyzed. The resistance properties of the soil layer can change very slowly under vibratory stress: the second depression then takes place at a low speed. In such a case, it appears that the soil layer does not change suddenly with a vibratory stress. According to another scenario, the layer of soil can very quickly lose its resistance under the vibratory stress: the second depression then takes place at a high speed. The risks in the event of an earthquake in the two scenarios mentioned are clearly different: the precautions and specifications on the foundations of constructed structures can be adapted to each case.
Lorsque le deuxième enfoncement contrôlé est terminé la vibration est arrêtée.When the second controlled depression is completed the vibration is stopped.
La quatrième étape d) du procédé prévoit d’actionner la vis de réglage 67 de manière à provoquer un troisième enfoncement contrôlé de la pointe de mesure 11 dans le sol, préférentiellement à vitesse constante.The fourth step d) of the method provides for actuating the adjustment screw 67 so as to cause a third controlled sinking of the measuring tip 11 into the ground, preferably at constant speed.
Par exemple, le troisième enfoncement pourra être de 10mm, réalisé à une vitesse de 2cm/s.For example, the third depression could be 10mm, carried out at a speed of 2cm/s.
Au cours de l’étape d), en l’absence de sollicitation vibratoire, la couche de sol peut voir sa résistance évoluer de différentes manières, selon les caractéristiques de ladite couche.During step d), in the absence of vibratory stress, the soil layer can see its resistance evolve in different ways, depending on the characteristics of said layer.
Selon un premier comportement, une couche ayant rapidement perdu sa résistance sous sollicitation vibratoire pourra, en l’absence de cette dernière, retrouver sa résistance initiale
Selon un deuxième comportement, une couche ayant rapidement perdu sa résistance sous sollicitation vibratoire pourra, en l’absence de cette dernière, revenir lors du troisième enfoncement contrôlé à une résistance
Enfin, selon un troisième comportement, une couche ayant rapidement perdu sa résistance sous sollicitation vibratoire pourra, en l’absence de cette dernière, revenir lors du troisième enfoncement contrôlé à une résistance
Les étapes a) à d) pourront être répétées pour d’autres profondeurs données d’investigation, de manière à analyser des couches de sol successives incluses dans une zone suspecte de plus ou moins grande épaisseur.Steps a) to d) can be repeated for other given investigation depths, so as to analyze successive soil layers included in a suspect zone of greater or lesser thickness.
Le procédé précité et le pénétromètre 100 selon l’invention permettent ainsi d’évaluer le caractère liquéfiable de la couche de sol analysée, à partir de la vitesse de réalisation du deuxième enfoncement. La diminution plus ou moins brutale de la résistance du sol sous sollicitation vibratoire est un critère clé du caractère liquéfiable. On peut également tirer des informations importantes sur les propriétés de portance de la couche de sol analysée, à la suite d’une sollicitation vibratoire, permettant d’anticiper de potentielles modifications irréversibles de la résistance du sol.The aforementioned method and the penetrometer 100 according to the invention thus make it possible to evaluate the liquefiable nature of the layer of soil analyzed, from the speed of realization of the second depression. The more or less sudden decrease in the resistance of the soil under vibratory stress is a key criterion of the liquefiable character. It is also possible to derive important information on the bearing properties of the soil layer analyzed, following a vibratory stress, making it possible to anticipate potential irreversible changes in the resistance of the soil.
Notons que le pénétromètre 100 selon le deuxième mode de mise en œuvre (figure 2) sera préférentiellement utilisé pour réaliser ce procédé, la communication fluidique rigide et courte entre la deuxième chambre 64 et la première chambre 61 étant plus adaptée à une application efficace de la sollicitation cyclique (vibration basse fréquence) au piston 62 (en liaison avec la tige 1), par la vis de réglage 69.Note that the penetrometer 100 according to the second mode of implementation (FIG. 2) will preferably be used to carry out this method, the rigid and short fluidic communication between the second chamber 64 and the first chamber 61 being more suitable for an effective application of the cyclic stress (low frequency vibration) to piston 62 (in connection with rod 1), by adjusting screw 69.
Mesure des propriétésMeasurement of properties élastoelasto -plastique d’un sol-plastic of a floor
Le pénétromètre 100 selon la présente invention peut également être utilisé pour la mesure des propriétés élasto-plastiques d’un sol, notamment en appliquant le procédé décrit ci-après.The penetrometer 100 according to the present invention can also be used for measuring the elasto-plastic properties of a soil, in particular by applying the method described below.
Le procédé comprend tout d’abord une première étape a) consistant à enfoncer dans le sol le couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1 pour amener la pointe de mesure 11 à une profondeur souhaitée pour la mesure des propriétés élasto-plastiques du sol. Arrivée à ladite profondeur, la pointe de mesure 11 est effacée, c’est-à-dire placée en butée contre le tube creux 2, au moyen de la vis de réglage 69 (c’est-à-dire en faisant varier le volume de la deuxième chambre 64).The method firstly comprises a first step a) consisting in driving the pair formed by the hollow tube 2 and the central rod 1 into the ground to bring the measuring tip 11 to a desired depth for the measurement of the elasto-plastic properties. of the ground. Arrived at said depth, the measuring tip 11 is erased, that is to say placed in abutment against the hollow tube 2, by means of the adjustment screw 69 (that is to say by varying the volume of the second bedroom 64).
A partir de là, le dispositif compressible étalonné 66 est bridé, de manière à demeurer à longueur constante pour les étapes suivantes du procédé.From there, the calibrated compressible device 66 is clamped, so as to remain at constant length for the following stages of the method.
Le procédé comprend une deuxième étape b) au cours de laquelle une première force F1constante est appliquée à une deuxième extrémité 12 de la tige 1, pendant une durée déterminée t. Rappelons qu’une force peut être appliquée sur le premier piston 62 en liaison avec la tige 1, par l’intermédiaire de la vis de réglage 69 qui peut faire varier la pression dans la deuxième chambre 64 et dans la première chambre 61 (les deux chambres 61,64 étant en communication fluidique).The method comprises a second step b) during which a first constant force F 1 is applied to a second end 12 of the rod 1, for a determined duration t. Remember that a force can be applied to the first piston 62 in connection with the rod 1, via the adjustment screw 69 which can vary the pressure in the second chamber 64 and in the first chamber 61 (the two chambers 61,64 being in fluid communication).
La force constante F1appliquée est transmise par la tige 1 à la pointe de mesure 11, qui va plus ou moins s’enfoncer dans le sol, selon les caractéristiques mécaniques de celui-ci.The constant force F 1 applied is transmitted by the rod 1 to the measuring tip 11, which will more or less sink into the ground, depending on the mechanical characteristics of the latter.
La première force F1appliquée pourra être comprise entre 100N et 500N ; en considérant une section de 10 cm2 de la pointe de mesure 11, cela correspond à une contrainte appliquée comprise entre 1 et 5 bars.The first force F 1 applied may be between 100N and 500N; considering a section of 10 cm2 of the measuring tip 11, this corresponds to an applied stress of between 1 and 5 bars.
Dans une troisième étape c) du procédé, on mesure un premier déplacement final
Le procédé prévoit ensuite la réitération des étapes b) et c), avec des forces appliquées croissantes, pour former une courbe représentant le déplacement final en fonction de la force appliquée. Ainsi, une deuxième force F2constante, supérieure à F1, est appliquée à la deuxième extrémité 12 de la tige 1, pendant la durée déterminée t. Une mesure est faite du deuxième déplacement final
Avantageusement, l’incrément entre deux forces appliquées successives est compris entre 100 et 500N.Advantageously, the increment between two successive applied forces is between 100 and 500N.
La durée déterminée t pourra varier entre 15 et 600 secondes ; elle est préférentiellement définie à t = 60s car cette durée rejoint l’approche méthodologique des essais pressiométriques connus.The determined duration t may vary between 15 and 600 seconds; it is preferably defined at t = 60s because this duration is consistent with the methodological approach of known pressuremeter tests.
La séquence d’application d’une force et de mesure du déplacement final est répétée n fois (application d’une énième force Fnconstante, supérieure à Fn-1, et mesure d’un énième déplacement final
En pratique, le déplacement maximal représentatif de la rupture du sol est défini à environ 5 cm (amplitude de sortie de la pointe 11 par rapport à sa position effacée contre le tube creux 2).In practice, the maximum displacement representative of the rupture of the ground is defined at around 5 cm (output amplitude of the point 11 with respect to its retracted position against the hollow tube 2).
A l’issue des étapes précédentes, on peut tracer une courbe représentant le déplacement final en fonction de la force appliquée. La courbe est formée d’un premier domaine correspondant à des déformations élastiques du sol. Elle est formée, après un point d’inflexion, d’un deuxième domaine correspondant à des déformations plastiques du sol, jusqu’à atteindre le point de rupture (Qc).At the end of the previous steps, we can draw a curve representing the final displacement as a function of the applied force. The curve is formed of a first domain corresponding to elastic deformations of the ground. It is formed, after a point of inflection, of a second domain corresponding to plastic deformations of the ground, until reaching the breaking point (Qc).
Le procédé comprend ensuite l’extraction du module de déformation M du sol à partir de la pente de la courbe déplacement final / force, dans le premier domaine de déformation élastique situé avant le point d’inflexion.The method then includes the extraction of the deformation modulus M of the soil from the slope of the final displacement / force curve, in the first domain of elastic deformation located before the point of inflection.
La pente p de la courbe dans le premier domaine élastique E s’exprime :The slope p of the curve in the first elastic domain E is expressed:
Le module de déformation M, en MPa/m, est calculé à partir de l’expression :
Le procédé permet également de déterminer la contrainte de fluage (Qf), limite élastique du sol. En effet, partant de la courbe déplacement final / force, la force Ffcorrespondant au point d’inflexion, traduit ladite contrainte de fluage Qf.The method also makes it possible to determine the creep stress (Qf), the elastic limit of the soil. Indeed, starting from the final displacement/force curve, the force F f corresponding to the point of inflection translates said creep stress Qf.
La contrainte de fluage s’exprime :The creep stress is expressed:
A partir de la contrainte de fluage Qf, on pourrait estimer, à titre sécuritaire, une valeur de contrainte admissible Qa à ½ Qf, qui placerait la contrainte admissible Qa en partie médiane du domaine élastique E. Rappelons que la contrainte admissible Qa est utilisée pour le dimensionnement des fondations de l’ouvrage.From the creep stress Qf, one could estimate, for safety, an allowable stress value Qa at ½ Qf, which would place the allowable stress Qa in the middle part of the elastic range E. Recall that the allowable stress Qa is used to the dimensioning of the foundations of the structure.
Selon une autre approche, en fonction du tassement admissible du projet d’ouvrage, on pourrait attribuer à la contrainte admissible Qa, une valeur, toujours inférieure à la contrainte de fluage Qf, située dans le premier domaine élastique, et correspondant sur la courbe, à un déplacement égal au tassement admissible connu. Rappelons que traditionnellement, la contrainte admissible Qa est évaluée sur la base d’une fraction de la contrainte à la rupture Qc : Qa = Qc/10 ; le coefficient 10 étant établi semi-empiriquement et de manière extrêmement sécuritaire. Le présent procédé donne une valeur de la contrainte admissible Qa basée sur la gestion du tassement admissible vis-à-vis de l’ouvrage, ce qui la rend beaucoup plus pertinente.According to another approach, depending on the allowable settlement of the proposed structure, the allowable stress Qa could be assigned a value, always lower than the creep stress Qf, located in the first elastic range, and corresponding on the curve, at a displacement equal to the known allowable settlement. Remember that traditionally, the allowable stress Qa is evaluated on the basis of a fraction of the breaking stress Qc: Qa = Qc/10; the coefficient 10 being established semi-empirically and in an extremely secure manner. The present method gives a value of the admissible stress Qa based on the management of the admissible settlement vis-à-vis the structure, which makes it much more relevant.
Le pénétromètre 100 selon l’invention permet donc une mesure in situ pour reconstituer directement la relation d’action / réaction d’un ensemble fondations / sol en donnant accès au comportement effectif sous charge du sol : portance, tassements, fluage dans le temps.The penetrometer 100 according to the invention therefore allows an in situ measurement to directly reconstitute the action/reaction relationship of a foundation/soil assembly by giving access to the effective behavior of the soil under load: bearing capacity, settlements, creep over time.
Notons que le pénétromètre 100 selon le deuxième mode de mise en œuvre (figure 2) sera préférentiellement utilisé pour ce ces mesures élasto-plastiques, la communication fluidique rigide et courte entre la deuxième chambre 64 et la première chambre 61 étant plus adaptée à une application efficace des séquences force/déplacement au piston 62 (en liaison avec la tige 1) par la vis de réglage 69.Note that the penetrometer 100 according to the second mode of implementation (FIG. 2) will preferably be used for these elasto-plastic measurements, the rigid and short fluidic communication between the second chamber 64 and the first chamber 61 being more suitable for an application effective force/displacement sequences to the piston 62 (in connection with the rod 1) by the adjusting screw 69.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que définie par les revendications.Of course, the invention is not limited to the embodiments described and variant embodiments may be added thereto without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Claims (15)
- Au moins une tige centrale (1) terminée à une première extrémité par une pointe de mesure (11) ;
- Au moins un tube creux (2) entourant la tige centrale (1), cette dernière étant apte à coulisser à l’intérieur du tube creux (2) ;
- Une cellule de mesure (3) en contact avec le tube creux (2), destinée à transmettre une force appliquée par des moyens d’appui (4), de manière à provoquer un enfoncement en mode statique dans le sol du tube creux (2) et de la tige centrale (1) ;
Le pénétromètre (100) étant caractérisé en ce qu’il comprend un système compressible (6) assurant une liaison élastique entre la cellule de mesure (3) et une seconde extrémité (12) de la tige centrale (1), ledit système compressible (6) comportant :
- Une première chambre (61) à huile formée dans la cellule de mesure (3), et un premier piston (62) solidaire d’une seconde extrémité (12) de la tige centrale (1) et apte à coulisser dans la première chambre (61) ;
- Au moins une colonne (63) déportée par rapport à l’axe de la tige centrale (1), qui comprend une deuxième chambre (64) à huile en communication fluidique avec la première chambre (61), un deuxième piston (65) apte à coulisser dans la deuxième chambre (64) et un dispositif compressible étalonné (66) en contact avec le deuxième piston (65) ;
- Un capteur de pression (67) relié à la deuxième chambre et/ou un capteur de déplacement (68) apte à mesurer la longueur du dispositif compressible étalonné (66).Penetrometer (100) comprising:
- At least one central rod (1) terminated at a first end by a measuring tip (11);
- At least one hollow tube (2) surrounding the central rod (1), the latter being able to slide inside the hollow tube (2);
- A measuring cell (3) in contact with the hollow tube (2), intended to transmit a force applied by support means (4), so as to cause a depression in static mode in the ground of the hollow tube ( 2) and the central rod (1);
The penetrometer (100) being characterized in that it comprises a compressible system (6) providing an elastic connection between the measuring cell (3) and a second end (12) of the central rod (1), said compressible system ( 6) comprising:
- A first oil chamber (61) formed in the measuring cell (3), and a first piston (62) integral with a second end (12) of the central rod (1) and able to slide in the first chamber (61);
- At least one column (63) offset with respect to the axis of the central rod (1), which comprises a second oil chamber (64) in fluid communication with the first chamber (61), a second piston (65) slidable in the second chamber (64) and a calibrated compressible device (66) in contact with the second piston (65);
- A pressure sensor (67) connected to the second chamber and/or a displacement sensor (68) capable of measuring the length of the calibrated compressible device (66).
- la cellule de mesure (3) comporte une partie interne (3a), une partie externe (3b) et un espace annulaire étanche (3d) entre la partie interne (3a) et la partie externe (3b),
- la première chambre (61) est formée dans la partie interne (3a) et est apte à communiquer avec l’espace annulaire (3d) via un premier orifice,
- le conduit rigide (614b) est fixé à la partie externe (3b) qui comprend un deuxième orifice pour communiquer avec l’espace annulaire (3d).Penetrometer according to the preceding claim, in which:
- the measuring cell (3) comprises an internal part (3a), an external part (3b) and a sealed annular space (3d) between the internal part (3a) and the external part (3b),
- the first chamber (61) is formed in the internal part (3a) and is able to communicate with the annular space (3d) via a first orifice,
- the rigid conduit (614b) is fixed to the external part (3b) which comprises a second orifice to communicate with the annular space (3d).
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